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開箱 COVID-19 抗疫戰爭中的堅强後盾!——解密中研院 P3 實驗室

研之有物│中央研究院_96
・2021/04/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|黃曉君
  • 美術設計|林洵安

新冠病毒肆虐,防疫工作首重消滅、隔絕病毒,中研院在廖俊智院長帶領下,更是傾全院之力研發檢驗試劑、藥物、疫苗等等抗疫利器,務求消滅病毒無形。但在中研院生物醫學科學研究所卻有一間實驗室,日夜忙著「養」病毒,以檢測疫苗、藥物、試劑有效性,它就是中研院唯二的 P3 實驗室。這間實驗室少有鎂光燈照射,卻是中研院抗疫作戰的重要後盾,一起跟著研之有物,開箱神秘的 P3 實驗室!

對戰病毒的日常

「我這輩子,從沒這麼努力工作過!」生醫轉譯中心新興傳染病專題中心執行長、生物醫學科學研究所研究員林宜玲苦笑地說。 2020 年中研院抗疫大仗,她負責領軍生醫所 P3 實驗室,研發定量病毒的方法,以協助驗證院內各項的檢驗試劑、藥物、疫苗的有效性。2020 年 11 月中研講堂,林宜玲走出實驗室來到嘉義女中,與民眾分享近一年與病毒日夜短兵相接的心路歷程。

「今年的 COVID-19 是百年大疫,所有原本不是研究病毒的都變成病毒學家了。」話鋒一轉,林宜玲隨即向聽眾發出靈魂拷問:「但大家真的認識病毒嗎?」

新冠病毒知多少?

新冠病毒大小約 100 奈米,大約是一根頭髮的直徑再小一萬倍,必須用電子顯微鏡才能觀察,「我們做病毒的,都說自己在做奈米科技。」林宜玲打趣地說。冠狀病毒雖這麼小,家族卻很龐大,其中有七隻會感染人類──四隻是普通感冒病毒,其他三隻是 SARS、MERS、以及引起 COVID-19 的 SARS-CoV-2 三種致命病毒。

冠狀病毒如何感染人類?關鍵是:病毒表面突起的棘蛋白(spike protein)它們會與細胞表面的受體結合,主要的受體為 ACE2(Angiotensin-converting enzyme 2)。一旦棘蛋白結合 ACE2 ,就像鑰匙開對門鎖,病毒即可長驅直入、感染細胞,在細胞內大量複製。

新冠病毒表面突起的棘蛋白(粉紅色突起),會與人體細胞表面受體 ACE2(綠色Y型)結合,藉此感染、進入細胞大量自我複製。圖│研之有物
新冠病毒表面突起的棘蛋白(粉紅色突起),會與人體細胞表面受體 ACE2(綠色Y型)結合,藉此感染、進入細胞大量自我複製。圖/研之有物

重點來囉!如果能夠「斷開」棘蛋白和 ACE2 的「連結」,即可能防止病毒感染細胞,這也是許多疫苗和藥物的重要標靶!疫苗與藥物研發後,需進行細胞、動物等測試確認有效性……不過,新冠病毒這麼「毒」,一般實驗室承擔不起,必須在大名鼎鼎的 P3 實驗室進行。

P3 實驗室大解密

在好萊塢災難片「全境擴散」中,穿著宛如太空裝的研究人員,在密閉實驗室小心翼翼操作致命病毒,場面凶險非常。現實世界中, P3 實驗室的研究人員真的必須穿著密不透風的實驗衣,才能處理危險病毒。

生物實驗室依照危險程度分成 P1~P4 四個等級,操作病原菌一級比一級凶險。

圖│研之有物
圖/研之有物

P1~P4 實驗室差別在哪?P1 實驗室最單純,只有洗手台、工作區、實驗衣,如大學的生物實驗室。P2 實驗室加上生物安全櫃,比較危險的生物、怕被汙染的樣品,統統必須在安全櫃裡進行。

P3 實驗室像是把整個實驗室變成安全櫃!實驗室內是負壓(相比於室外壓力較小)氣流只能從室外往室內吹,不能由室內往外吹,避免病原菌外洩。另外還有雙門滅菌鍋,實驗用品必須經過高溫高壓、蒸氣滅菌之後才能由外部取出。

最神秘的 P4P3 大同小異,但人員必須穿著連身供氣正壓防護衣,衣服外面是負壓、內部是正壓,作用是防止病原菌隨氣流竄進防護衣內

P3、P4 實驗室特點是內部的負壓呈梯度分布,越往裡面壓力越低 ,以防止氣流外洩。此外,實驗室必須具備高壓滅菌鍋,實驗用品必須經過高溫高壓、蒸氣滅菌之後才能取出,人員進與出也有規定的路線。圖│研之有物
P3、P4 實驗室特點是內部的負壓呈梯度分布,越往裡面壓力越低 ,以防止氣流外洩。此外,實驗室必須具備高壓滅菌鍋,實驗用品必須經過高溫高壓、蒸氣滅菌之後才能取出,人員進與出也有規定的路線。圖/研之有物
林宜玲實驗室同仁在 P3 實驗室前合影。P3 實驗室的工作人員必須穿著實驗衣,而且穿、脫順序都有嚴格的 SOP,並配合定期訓練。圖│林宜玲
林宜玲實驗室同仁在 P3 實驗室前合影。P3 實驗室的工作人員必須穿著實驗衣,而且穿、脫順序都有嚴格的 SOP,並配合定期訓練。圖/林宜玲

時間回到 2003 年 ,臺灣爆發 SARS 疫情,中研院隨即新建兩間 P3 負壓實驗室。2019 年底,新冠肺炎疫情爆發,2020 年 1 月林宜玲臨危受命,負責中研院生醫所 P3 實驗室。2020 年 3 月,林宜玲從疾管署小心翼翼捧回分讓的第一株新冠病毒,立即開始「養」病毒,提供新冠病毒來測試院內研發的藥物、治療性抗體等,看看藥物作用後的病毒殘存量,藉此估算藥物的抑制能力。

「但病毒這麼小,不可能放在顯微鏡下一個個數,必須研究適當的定量方法。」林宜玲打趣地說:「不過,每隻病毒都很有個性,定量方法必須量身打造。」因此除了使用傳統的 PCR(Polymerase chain reaction,簡稱 PCR)核酸檢測,也研發出幾項重要定量法。

每隻病毒都很有個性,定量方法必須量身打造。

數一數,病毒有幾隻?

「確診 34 要不要隔離治療?」新聞常聽見有關確診與否的 CT 值,就是指 PCR 複製的次數。所謂的 PCR ,是讓反轉錄後的病毒 cDNA 可以 2 倍、4 倍、8 倍、16 倍……每次以 2 倍數複製,直到機器偵測到病毒 cDNA,那個次數就稱為 CT 值。

如果樣本中病毒量非常少,PCR 必須進行多次複製,機器才會偵測到, CT 值就會非常高。目前臺灣以 CT = 40 作為確診標準,意思就是如果樣本經過 40 次 PCR 複製,仍未測出病毒 RNA,受測者才可算為陰性。

此外,林宜玲團隊也開發病毒斑定量法細胞病變定量法免疫螢光抗體染色偵測法等等,協助院內研究人員偵測研發藥物、疫苗、中和抗體的有效性。

病毒斑定量法為例,研究者把病毒樣本稀釋成不同濃度,然後感染培養皿中的細胞。幾天之後,如果細胞被感染、凋亡,會在原本位置附近擴散成一個斑點。從病毒斑的數量,參考原本稀釋的倍數,即可反推原本樣本中病毒的數量。

圖│研之有物(資料來源│林宜玲
圖/研之有物(資料來源│林宜玲)

林宜玲團隊以病毒斑檢測法,協助中研院吳漢忠特聘研究員篩選有效抑制新冠病毒的治療性單株抗體。

每一行代表一種抗體的測試組,研究員在每個裝滿細胞的培養皿中,分別放入新冠病毒與稀釋後的抗體(上方橫軸為抗體濃度,越往右濃度越低),白點代表加入抗體後仍受到感染的細胞。從白點數量可知,第一種抗體中和新冠病毒的能力最好,細胞受到感染的機會最小。圖│林宜玲
每一行代表一種抗體的測試組,研究員在每個裝滿細胞的培養皿中,分別放入新冠病毒與稀釋後的抗體(上方橫軸為抗體濃度,越往右濃度越低),白點代表加入抗體後仍受到感染的細胞。從白點數量可知,第一種抗體中和新冠病毒的能力最好,細胞受到感染的機會最小。圖/林宜玲

此外,P3 實驗室也協助抗體、抗原檢測試劑的多項開發。去年初,中研院基因體研究中心楊安綏團隊,19 日內成功製備出適合檢測病毒抗原的單株抗體,也有賴林宜玲 P3 實驗室提供「真.病毒感染細胞」的萃取物進行測試。

本圖為楊安綏團隊開發的新冠病毒抗原檢驗試劑原型,林宜玲團隊提供受到新冠病毒感染的細胞萃取物進行測試,並提供普通感冒病毒感染的細胞萃取物作為控制組,以資對照。圖│林宜玲
本圖為楊安綏團隊開發的新冠病毒抗原檢驗試劑原型,林宜玲團隊提供受到新冠病毒感染的細胞萃取物進行測試,並提供普通感冒病毒感染的細胞萃取物作為控制組,以資對照。圖/林宜玲

不過,林宜玲主責的 P3 實驗室只能進行細胞實驗,但藥物能夠在細胞抑制病毒生長,不代表能夠在活跳跳的動物、甚至人體發揮功能。因此 P3 有兩種,動物實驗也必須有相應的 P3 實驗室。

動物版 P3 實驗室

鏡頭轉向中研院基因體研究中心的 P3 實驗室,裡面風景大不同,一籠籠嘰嘰喳喳的小鼠身負抗疫重責大任。

但有老鼠遠遠不夠,因為正常的小鼠不會感染新冠病毒。如果老鼠不生病,怎麼測試藥物的有效性?所以研究員通常會以基因轉殖的方法,改變老鼠的基因,表現關鍵結構或蛋白質,例如:使老鼠的細胞上表現新冠病毒的關鍵受體──ACE2。

但基因轉殖鼠需要好幾個月的製備,還不一定成功,面對瞬息萬變的疫情,顯然緩不濟急。所幸,中研院生物醫學科學研究所陶秘華研究員以一個病毒載體,將人體有關 ACE2 的基因送進小鼠體內,成功使小鼠細胞表現人類的 ACE2,變得可以感染新冠病毒。這些實驗小鼠,已經成為院內評估藥物、疫苗的重要工具。

陶秘華研究員以病毒載體,將人體 ACE2 的基因送進小鼠體內,成功使小鼠細胞表現人類的 ACE2,變得可以感染新冠病毒,加速了動物攻毒實驗的進行。圖│研之有物
陶秘華研究員以病毒載體,將人體 ACE2 的基因送進小鼠體內,成功使小鼠細胞表現人類的 ACE2,變得可以感染新冠病毒,加速了動物攻毒實驗的進行。圖/研之有物

演講最後,林宜玲感性回顧過去歷史,事實上,人類每隔一段時期就會經歷一次重大瘟疫,新冠肺炎只是其中之一。而每次大瘟疫的結束都不會是單一的原因,不管是疾病傳播知識的增加、公共衛生與醫療保健宣導、新療法和疫苗的開發等都會有所助益,新冠肺炎的控制也一樣,勢必會是多重因素作用的結果。

「但疫情一定會過去,而且一定不會像過去這麼慘烈,」林宜玲肯定的說。截至 2021 年 2 月,已有幾支疫苗問世,有效性更達到九成以上,這場全球競賽的疫苗進度打破史上所有紀錄。與病毒共存的漫漫長夜,已露曙光。下一步怎麼走?林宜玲語重心長的提醒:「台灣不可能一直封鎖國門,未來必須視國際疫情靈活改變策略,才能跟上全球復甦的趨勢。」

以下是林宜玲研究員演講當天的影片精華:

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能量看不到,那就透過介質來觀察吧!——《物理學的演進》

商周出版_96
・2021/04/17 ・2453字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 作者|Albert Einstein, Leopold Infeld
  • 譯者|王文生

雖然沒有任何實際參與流言散布的人真的在兩個城市間旅行,來自倫敦的小道消息,很快地傳到了愛丁堡。這個過程,涉及兩種截然不同的動作,一種和流言本身有關,從倫敦到愛丁堡;另一種,則要歸咎散播流言的人。一陣風吹過麥田,帶起一道穿過整片田地的麥浪。這一次,我們還是要分清楚波的運動,以及個別植物的運動之間的差異。植物只是稍稍晃動而已。我們曾經看過,把石頭丟進池塘中,水波的圓越來越大,藉此傳播出去。

波的運動方式,和水粒子的運動方式相當不同。水粒子只是上下運動。我們觀察到波的運動,是物質的狀態變化,物質本身並不是波。

從水面上的一顆軟木塞就能清楚地見到這個現象。軟木塞上上下下的動作,和水實際上的運動類似,它的運動不是波造成的。

把石頭丟進池塘中,水波的圓越來越大,藉此傳播出去。圖/Pexels

為了深入了解波的機制,我們再來考慮一項思想實驗。假設在一個足夠大的空間裡,均勻地被水、空氣,或其他種「介質」填滿。空間的中央處有一個球體。實驗開始時,沒有任何運動。突然,球體開始規律地「呼吸」,體積擴張,然後縮小,在此同時維持球狀的外表。介質會發生什麼變化?我們從球體開始擴張的瞬間開始分析。緊鄰球體的粒子被推開,導致周邊一層球殼狀的水,或是空氣的密度上升,高於正常值。經由類似的過程,球體縮小時,緊鄰球體介質的密度下降了(下圖)。組成介質的粒子只是微幅振動,但是,整體的運動卻是一個行進的波。基本上,我們現在正踏入全新的領域,第一次考慮物質以外的運動,也就是經由物質傳遞的能量產生的運動。

球體縮小時,緊鄰球體介質的密度下降了。圖/《物理學的演進

以脈衝球體為例,我們可以導入定義波的性質時相當重要的兩項普通物理觀念。首先是速度,描述波的傳遞。它和介質有關,例如,波在水和空氣的傳播速度不同。其次是波長 (Wave Length)。在海上或河流傳遞的波,它的波長是從一個波到另一個波距離,或是一個波峰到另一個波峰的距離。因此,海上的波相較於河裡的波具有較大的波長。至於脈衝球體產生的波,波長是在某個固定時間點,兩個密度最大或最小的相鄰球殼之間的距離。很明顯,這個距離不會只和介質有關,脈衝球體縮放的速度顯然對波長有不小的影響。縮放的速度越快,波長越小;縮放速度越快,波長越大。

波的觀念在物理學取得巨大的成功。

波是力學的觀念,這點無庸置疑。波的現象被簡化為粒子的運動,而且根據動力學理論,粒子由物質組成。因此,所有用到波的觀念的理論,一般來說都能視為力學理論。比方說,聲學現象的解釋,基本上建立在波的觀念。物體的振動,像是聲帶和琴弦,是聲波的來源。聲波在空氣中的傳遞模式,和脈衝球體波相同。如此一來,將所有聲學現象透過波的觀念簡化為力學是可能的。

前面已經強調過,我們得清楚地分辨粒子的運動和波的運動,後者是介質的一種狀態。兩種運動差異不小,但是,在脈衝球體的例子,兩種運動顯然發生在同一條直線上。介質粒子在一條短線段上振盪,隨著振盪運動,介質密度週期性地增加和減少。波傳遞的方向,與振盪發生的直線的方向,兩者相同。這種類型的波,稱為縱波 (Longitudinal wave)。但是,波只有這一種形態嗎?為了接下來的討論,我們必須認知到另一種類型的波存在的可能性,稱為橫波 (Transverse wave)。

我們調整一下先前的例子。現在依然有一個球體,但是它浸在一種膠狀介質裡,不是空氣,也不是水。此外,球體不再是縮放,而是朝一個方向旋轉一個小角度,再轉回來。旋轉的節奏是固定的,轉軸也不變。膠狀介質附著在球體周遭,被迫以相同的方式運動(下圖)。一部分的力作用在稍微遠一點的地方,造成該處產生相同的運動,如此一來,介質中就產生一個波。如果我們留意到介質的運動與波的運動之間的差異,會發現它們並不是發生在同一條直線上。波沿著球體的直徑方向傳播,而介質的運動則和這個方向垂直。以此方式,我們造出一個橫波。

膠狀介質附著在球體周遭,被迫以相同的方式運動。圖/《物理學的演進

在水的表面傳遞的波是橫波。漂浮的軟木塞上下浮動,水波則沿著水平面傳遞。另一方面,聲波則是我們最熟悉的橫波範例。

還有一點:脈衝的球體和震動的球體,在同質的均勻介質中製造的是球形波。這是因為在任意時間點,任何圍繞著球體的球殼上的任何一點,行為都是相同的。讓我們考慮位在波源遠處,以波源為球心的球殼上的一個小塊。我們考慮的小塊越小,距離波源越遠,它就越接近一個平面。若不做太嚴謹的考慮,可以說半徑夠大的球殼上的一小部分,和平面其實沒有什麼差距。我們常常把遠離波源的球形波上的一小部分,稱為平面波。如果把下圖著色的區域再向遠離球心的方向移動,兩條半徑中間的夾角就會越來越小,更接近平面波。平面波的觀念和某些物理觀念很類似,它們是虛構的,無法以完美的精確度製造出來。然而,平面波依然是相當有用的物理觀念,不一會就能派上用場。

著色的區域再向遠離球心的方向移動,兩條半徑中間的夾角就會越來越小,更接近平面波。圖/《物理學的演進
——本文摘自《物理學的演進》,2021年2月,商周出版。

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